KR102033589B1 - 비공비 혼합 냉매 및 로렌츠 프리쿨링 사이클이 적용된 고효율 냉난방, 급탕 연속식 복합 히트펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 히트펌프 시스템은, 기체 상태의 비공비 혼합 냉매를 고온 고압 상태로 압축하는 압축기; 상기 압축기에서 토출된 냉매 유로 상에 배치되는 사방 밸브; 상기 사방 밸브와 냉매 유로로 연결되며 물과 냉매 간 대향류 열교환을 행하는 제1열교환기; 상기 제1열교환기의 냉매가 토출되는 냉매 유로에 설치된 제1삼방 밸브; 상기 제1삼방 밸브에서 분기된 유로 중 하나와 연결되며 지열원과의 열교환된 물과 냉매 간 대향류 열교환이 이루어지는 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기; 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기에서 과냉각된 액상의 냉매를 일시적으로 수용하는 리시버 탱크; 상기 리시버 탱크에서 토출되는 냉매가 분기되어 서로 열교환되는 중간 냉각기; 상기 중간 냉각기에서 냉각된 냉매가 통과하는 제2삼방 밸브; 상기 제2삼방 밸브에서 분기된 냉매 유로 중 하나와 연결된 냉방 팽창 밸브; 상기 냉방 팽창 밸브에서 토출된 냉매가 냉방용 브라인과 대향류 열교환이 이루어지는 제2열교환기; 상기 제1삼방 밸브에서 분기된 유로 중 나머지 하나와 연결되며, 상기 사방 밸브와 냉매 유로 연결된 제3삼방 밸브; 상기 제2삼방 밸브에서 분기된 냉매 유로 중 나머지 하나와 연결된 히팅 팽창 밸브; 상기 히팅 팽창 밸브 또는 상기 제3삼방 밸브와 연결된 냉매 유로에서 유입된 냉매가 지열원과 열교환된 물과 대향류 열교환이 이루어지는 제3열교환기; 상기 제2열교환기는 상기 사방 밸브와 냉매 유로로 연결되며, 상기 제2열교환기와 상기 사방 밸브를 연결하는 냉매 유로는 분기하여 상기 압축기의 입구쪽으로 연결되며, 상기 히팅 팽창 밸브와 상기 제3열교환기를 연결하는 유로는 분기하여 상기 제1삼방 밸브로부터 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기에 연결된 유로에 합류하도록 연결되며, 상기 제3열교환기로 공급되는 물이 지열원과 열교환되는 지열원 열교환기; 상기 지열원 열교환기에서 토출된 물이 상기 제3열교환기로 유입되는 방향을 선택적으로 변환하는 제4삼방 밸브; 상기 제3열교환기에서 토출된 물의 흐름을 2방향으로 선택적으로 변환시키는 제5삼방 밸브; 및 상기 제5삼방 밸브를 통과한 물이 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기 또는 상기 지열원 열교환기로 유입되도록 선택적으로 변환하는 프리쿨링 전자 밸브;를 포함한 것을 특징으로 한다.

Description

비공비 혼합 냉매 및 로렌츠 프리쿨링 사이클이 적용된 고효율 냉난방, 급탕 연속식 복합 히트펌프 시스템{High Efficiency heating, cooling, and hot water continuous composite heat pump system with non-azeotropic refrigerant mixtures and Lorentz pre-cooling cycle}

본 발명은 비공비 혼합 냉매가 채용된 고효율 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 더 구체적으로 지열원을 이용한 프리쿨링 열교환기를 포함한 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 히트펌프는 열을 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이동시킬 수 있는 장치를 의미하는데, 사이클의 구성과 작동방법은 냉동기와 같으며 단지 저온 열의 사용을 목적으로 하는 경우에는 냉동기가 되고, 고온열의 사용을 목적으로 하는 경우에는 히트펌프가 되는 것이다.

히트펌프 사이클의 기본적인 구성요소는 압축기, 고온부 열교환기인 제1열교환기, 팽창 밸브, 저온부 열교환기인 제2열교환기의 4개 요소로 구분되며 냉매는 압축, 응축, 팽창, 증발의 변화를 계속하면서 순환한다.

상기의 히트펌프의 원리를 이용하여 목욕탕, 공장, 산업 전반 등에서 사용하는 온수 및 냉수를 생성할 수 있는 냉난방 냉온수 복합 시스템은 상기 고온부 열교환기에 외부로부터 유입된 물과 냉매를 열교환시켜 온수를 얻을 수 있고 이를 이용하여 난방기능도 수행할 수 있다.

이러한 냉난방 냉온수 복합 시스템은 냉매의 열에너지로 외부로부터 유입된 물을 가열시키고, 외부 공기로부터 열에너지를 공급받아 상기 냉매를 증발시켜 사이클을 순환하도록 되어 있다. 이러한 히트 펌프 시스템의 일 예가 등록특허 제0789436호에 개시되어 있다.

그런데 종래의 히트 펌프 시스템은 압축기에 회수되는 냉매의 과열도나 팽창 밸브에 유입되는 냉매의 과냉각도가 일정하지 않아 최적의 열 효율을 얻을 수 없는 단점에 있었다. 이와 같이 냉매의 과열도나 과냉각도를 정밀하게 조절할 수 없는 경우에는 최적의 열효율을 얻을 수 없는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 비공비 혼합냉매와 로렌츠 프리쿨링 열교환기를 포함한 히트펌프 시스템으로서 성능계수를 최대한 향상시킬 수 있는 고효율 히트펌프 시스템을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 비공비 혼합 냉매 및 로렌츠 프리쿨링 사이클이 적용된 고효율 냉난방, 급탕 연속식 복합 히트펌프 시스템은, 기체 상태의 비공비 혼합 냉매를 고온 고압 상태로 압축하는 압축기;

상기 압축기에서 토출된 냉매 유로 상에 배치되는 사방 밸브;

상기 사방 밸브와 냉매 유로로 연결되며 물과 냉매 간 대향류 열교환을 행하는 제1열교환기;

상기 제1열교환기의 냉매가 토출되는 냉매 유로에 설치된 제1삼방 밸브;

상기 제1삼방 밸브에서 분기된 유로 중 하나와 연결되며 지열원과의 열교환된 물과 냉매 간 대향류 열교환이 이루어지는 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기;

상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기에서 과냉각된 액상의 냉매를 일시적으로 수용하는 리시버 탱크;

상기 리시버 탱크에서 토출되는 냉매가 분기되어 서로 열교환되는 중간 냉각기;

상기 중간 냉각기에서 냉각된 냉매가 통과하는 제2삼방 밸브;

상기 제2삼방 밸브에서 분기된 냉매 유로 중 하나와 연결된 냉방 팽창 밸브;

상기 냉방 팽창 밸브에서 토출된 냉매가 냉방용 브라인과 대향류 열교환이 이루어지는 제2열교환기;

상기 제1삼방 밸브에서 분기된 유로 중 나머지 하나와 연결되며, 상기 사방 밸브와 냉매 유로 연결된 제3삼방 밸브;

상기 제2삼방 밸브에서 분기된 냉매 유로 중 나머지 하나와 연결된 히팅 팽창 밸브;

상기 히팅 팽창 밸브 또는 상기 제3삼방 밸브와 연결된 냉매 유로에서 유입된 냉매가 지열원과 열교환된 물과 대향류 열교환이 이루어지는 제3열교환기;

상기 제2열교환기는 상기 사방 밸브와 냉매 유로로 연결되며, 상기 제2열교환기와 상기 사방 밸브를 연결하는 냉매 유로는 분기하여 상기 압축기의 입구쪽으로 연결되며,

상기 히팅 팽창 밸브와 상기 제3열교환기를 연결하는 유로는 분기하여 상기 제1삼방 밸브로부터 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기에 연결된 유로에 합류하도록 연결되며,

상기 제3열교환기로 공급되는 물이 지열원과 열교환되는 지열원 열교환기;

상기 지열원 열교환기에서 토출된 물이 상기 제3열교환기로 유입되는 방향을 선택적으로 변환하는 제4삼방 밸브;

상기 제3열교환기에서 토출된 물의 흐름을 2방향으로 선택적으로 변환시키는 제5삼방 밸브; 및

상기 제5삼방 밸브를 통과한 물이 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기 또는 상기 지열원 열교환기로 유입되도록 선택적으로 변환하는 프리쿨링 전자 밸브;를 포함한 점에 특징이 있다.

상기 제5삼방 밸브를 통과하여 상기 지열원 열교환기로 유입되는 물을 상기 지열원 열교환기의 유입구로 공급하거나 상기 지열원 열교환기를 우회하여 상기 지열원 열교환기의 토출구 쪽에 비례적으로 분배되도록 제어하는 제6삼방 밸브;를 포함한 것이 바람직하다.

상기 지열원 열교환기의 토출구에 연결된 수로에 배치된 제7삼방 밸브; 및

상기 제7삼방 밸브를 통과한 물이 선택적으로 외기와 열교환 되도록 배치된 하이브리드 프리쿨링 열교환기;를 포함하며,

상기 제7삼방 밸브를 통과한 물의 온도가 미리 설정된 외기의 온도보다 낮을 경우, 상기 하이브리드 프리쿨링 열교환기를 통과하며, 상기 제7삼방 밸브를 통과한 물의 온도가 미리 설정된 외기 온도 이상일 경우, 상기 하이브리드 프리쿨링 열교환기를 우회한 후 제1순환 펌프에 의해 상기 제4삼방 밸브로 압송되는 것이 바람직하다.

상기 제1순환 펌프로 유입되는 물의 온도 온도가 미리 설정된 온도보다 높을 경우, 상기 제6삼방 밸브를 통과한 물이 비례적으로 상기 지열원 열교환기로 유입되며, 상기 제1순환 펌프로 유입되는 물의 온도가 미리 설정된 온도 이하일 경우, 상기 제6삼방 밸브를 통과한 물이 비례적으로 상기 지열원 열교환기를 우회하여 상기 제7삼방 밸브로 유입되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 히트펌프 시스템은 비공비 혼합 냉매를 사용하여 냉매와 물 이 대향류 열교환을 하는 로렌츠 사이클을 포함하며, 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기가 제1열교환기의 작용을 선택적으로 지원하도록 구성됨으로써, 비공비 혼합 냉매의 냉동 사이클이 최적으로 이루어지도록 비공비 냉매의 과냉각도 조절을 정밀하게 수행하여 히트펌프 시스템의 성능 계수를 현저하게 향상시키는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 히트펌프 시스템은 온수생성 또는 난방만을 수행하거나, 온수생성, 난방 및 냉방까지 동시에 수행할 수도 있으며, 난방, 급탕, 냉방을 선택적으로 수행하는 등 복합적인 냉동 사이클을 효율적이고 안정적으로 수행할 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 히트펌프 시스템의 구성도이다.
도 2는 난방 및 급탕 기능만을 수행하며 냉방 기능이 필요하지 않은 경우의 히트펌프 사이클을 구성하는 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 3은 냉방과 급탕 및 난방을 동시에 수행하는 경우의 히트펌프 사이클을 구성하는 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다.
도 4는 난방과 냉방 사이클 작동시 일시적으로 난방수 생성을 중지하고 냉방 사이클만 필요한 경우 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 히트펌프 시스템의 구성도이다. 도 2는 난방 및 급탕 기능만을 수행하며 냉방 기능이 필요하지 않은 경우의 히트펌프 사이클을 구성하는 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다. 도 3은 냉방과 급탕 및 난방을 동시에 수행하는 경우의 히트펌프 사이클을 구성하는 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다. 도 4는 난방과 냉방 사이클 작동시 일시적으로 난방수 생성을 중지하고 냉방 사이클만 필요한 경우 냉매의 흐름을 보여주는 도면이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 비공비 혼합 냉매 및 로렌츠 프리쿨링 사이클이 적용된 고효율 냉난방, 급탕 연속식 복합 히트펌프 시스템(이하 "프리쿨링 복합 히트펌프 시스템"이라 함)은 압축기(10)와, 사방 밸브(20)와, 제1열교환기(30)와, 제1삼방 밸브(40)와, 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)와, 리시버 탱크(60)와, 중간 냉각기(70)와, 제2삼방 밸브(45)와, 냉방 팽창 밸브(85)와, 제2열교환기(90)와, 히팅 팽창 밸브(102)와, 제3열교환기(100)와, 제3삼방 밸브(80)와, 지열원 열교환기(110)와, 제4삼방 밸브(120)와, 제5삼방 밸브(130)와, 제6삼방 밸브(140)와, 제7삼방 밸브(150)와, 하이브리드 프리쿨링 열교환기(160)를 포함한다.

상기 압축기(10)는 기체 상태의 비공비 혼합 냉매를 고온 고압의 상태로 압축하는 장치이다. 본 발명에서 비공비 혼합 냉매는 예컨대 R-407E를 사용한다. R-407E는 HFC32가 25%, HFC125가 15%, R-134a가 60%의 비율로 혼합된 냉매다. 상기 비공비 혼합 냉매는 열교환기에서 물과 같은 열원과 대향류 열교환이 이루어진다. 상기 비공비 혼합 냉매는 로렌츠 냉동 사이클을 구성한다. 로렌츠 냉동 사이클은 알려진 바와 같이 냉매의 상변화 과정에서 온도가 변함으로써 비가역성을 최소화함으로써 열교환 효율이 현저하게 향상된다. 즉, 열교환기 입구측의 냉매와 물의 온도차이와 열교환기 출구측의 냉매와 물의 온도 차이가 일정하게 유지됨으로써 냉매의 비가역성이 최소화되어 열교환 효율이 향상된다.

상기 압축기(10)에서 토출되는 냉매 유로에는 오일 분리기(15)가 설치된다. 상기 오일 분리기(15)에서 분리된 오일은 상기 압축기(10)로 회수된다. 또한, 상기 압축기(10)로 유입되는 냉매는 기체 상태여야 한다. 만일, 압축기(10)의 입구에 액체 상태의 냉매가 유입되는 경우 압축기(10)의 구성요소가 손상될 수 있는 문제점이 있다. 따라서, 압축기(10)의 입구 측에는 액체 상태의 냉매와 기체 상태의 냉매를 분리하는 액 분리기(17)가 배치된다.

상기 사방 밸브(20)는 상기 압축기(10)에서 토출된 냉매 유로 상에 배치된다. 상기 사방 밸브(20)는 냉매의 흐름을 3가지 방향으로 분기하는 밸브 장치이다. 상기 사방 밸브(20)는 공지된 구조를 채용할 수 있으므로 밸브 자체의 구조에 관한 서술은 생략하기로 한다.

상기 제1열교환기(30)는 상기 사방 밸브(20)와 냉매 유로로 연결된다. 상기 제1열교환기(30)는 실내의 특정한 공간의 난방 또는 급탕을 위해 제2순환 펌프(172)에 의해 압송되는 물과 냉매 간 대향류 열교환기 이루어지는 장치다. 본 발명에서 채용된 냉매는 비공비 혼합 냉매로서 열교환기에서 로렌츠 사이클에 따른 열교환이 이루어져야 하므로 필수적으로 대향류 열교환을 수행할 수 있는 열교환기가 채용되어야 한다. 상기 제1열교환기(30)는 예컨대 판형 열교환기가 채용될 수 있다. 상기 제1열교환기(30)로 유입되는 물의 양을 제어하기 위해 순환 펌프가 설치될 수 있다.

상기 제1삼방 밸브(40)는 냉매의 흐름을 2가지 방향으로 분기하는 밸브 장치이다. 상기 제1삼방 밸브(40)는 상기 제1열교환기(30)의 냉매가 토출되는 냉매 유로에 설치된다. 상기 제1삼방 밸브(40)는 후술하는 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)와, 제3삼방 밸브(80)와 각각 냉매 유로로 연결된다. 또한, 상기 제1삼방 밸브(40)와 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)를 연결하는 유로는 중간에 분기하여 후술하는 히팅 팽창 밸브(102)와 제3열교환기(100)를 연결하는 냉매 유로에 연결된다.

상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)는 상기 제1삼방 밸브(40)에서 분기된 유로 중 하나와 연결된다. 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)는 지열원과의 열교환된 물과 냉매 간 대향류 열교환이 이루어지는 장치다. 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)는 예컨대 판형 열교환기가 채용될 수 있다. 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)는 상기 제1열교환기(30)를 통과한 냉매의 과냉각도를 조절하는 기능을 수행한다. 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)에서는 지열원과 열교환된 물이 냉매와 대향류 열교환 된다. 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)로 공급되는 물은 후술하는 지열원 열교환기(110)에서 지열원과 열교환이 이루어진 물이다. 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)는 로렌츠 사이클을 통한 냉매와 물의 열교환이 최적으로 이루어지도록 하며, 비공비 냉매의 과냉각도를 정밀하게 제어하는 핵심적인 구성요소이다.

상기 리시버 탱크(60)는 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)에서 과냉각되어 토출된 냉매가 일시적으로 수용되는 탱크다. 상기 리시버 탱크(60)는 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)와 냉매 유로로 연결되어 있다. 상기 리시버 탱크(60)와 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)를 연결하는 냉매 유로에는 체크 밸브(미도시)가 설치되어 냉매가 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)로부터 상기 리시버 탱크(60) 쪽으로만 흐르도록 허용한다. 또한, 상기 리시버 탱크(60)는 후술하는 중간 냉각기(70)와 냉매 유로로 연결된다. 상기 리시버 탱크(60)는 냉매를 일정량 저장하는 장치로서 출구로는 액상의 냉매만 유출되고 기체 상태의 냉매는 용기 상부에 존재하도록 하는 공지된 장치다.

상기 중간 냉각기(70)는 상기 리시버 탱크(60)와 냉매 유로로 연결된다. 상기 중간 냉각기(70)는 상기 리시버 탱크(60)에서 토출된 냉매의 일부를 분기시킨 후 중간 팽창 밸브(72)에서 단열 팽창시켜서 온도를 낮춘 후 나머지 냉매와 열교환 시킴으로써 제2삼방 밸브(45)로 유입되는 냉매의 과냉각도를 조절하는 역할을 수행한다. 즉, 상기 중간 냉각기(70)에서는 냉매 자체 간 열교환이 이루어진다. 상기 중간 팽창 밸브(72)를 통과한 냉매는 상기 중간 냉각기(70)에서 기화 및 과열도가 조절되어 상기 압축기(10)의 입구로 회수된다. 상기 중간 팽창밸브(72)를 통해 단열팽창되는 냉매의 양은 상기 중간 냉각기(70)에서 열교환된 후 상기 압축기(10) 쪽으로 토출되는 냉매의 압력에 따라 비례적으로 제어될 수 있다.

상기 리시버 탱크(60)와 상기 중간 냉각기(70)를 연결하는 냉매 유로에는 드라이어(62)와 사이트 글라스(64)가 설치된다. 상기 드라이어(62)는 냉매에 포함된 이물질을 걸러 주는 일종의 필터이다. 상기 사이트 글라스(64)는 냉매 유로에 흐르는 유체의 흐름을 관찰할 수 있도록 설치하는 구성요소이다.

상기 제2삼방 밸브(45)는 상기 중간 냉각기(70)와 냉매 유로로 연결된다. 상기 중간 냉각기(70)에서 냉각된 냉매가 상기 제2삼방 밸브(45)를 통과한다. 상기 제2삼방 밸브(45)는 냉매의 흐름을 2방향으로 분기한다. 상기 제2삼방 밸브(45)는 제2열교환기(90) 및 제3열교환기(100)와 각각 냉매 유로로 연결된다.

상기 냉방 팽창 밸브(85)는 상기 제2삼방 밸브(45)에서 분기된 냉매 유로 중 하나와 연결된다. 즉, 상기 냉방 팽창 밸브(85)는 상기 제2삼방 밸브(45)와 제2열교환기(90)를 연결하는 냉매 유로 상에 설치된다. 상기 냉방 팽창 밸브(85)는 액상의 냉매를 단열 팽창시켜 습포화 증기로 변환한다. 상기 냉방 팽창 밸브(85)의 상류에는 냉매의 흐름을 개폐하는 냉방 전자 밸브(83)가 설치된다. 또한, 상기 냉방 팽창 밸브(85)는 상기 제2열교환기(90)에서 토출되는 냉매의 온도와 압력에 따라 냉매의 유량이 비례적으로 조절될 수 있다.

상기 제2열교환기(90)는 상기 냉방 팽창 밸브(85)에서 토출된 냉매가 제3순환 펌프(175)에 의해 압송되는 냉방용 브라인과 대향류 열교환이 이루어지는 장치다. 냉방용 브라인은 예컨대 물(water)이나 공기(air)가 채용될 수 있다. 상기 제2열교환기(90)는 예컨대 판형 열교환기가 채용될 수 있다. 상기 제2열교환기(90)에서는 냉매와 냉방용 브라인이 로렌츠 사이클에 따른 열교환이 이루어져서 냉방을 위한 냉수나 냉기를 생성한다. 상기 제2열교환기(90)와 상기 사방 밸브(20)는 냉매 유로로 연결된다. 상기 제2열교환기(90)와 상기 사방 밸브(20)를 연결하는 냉매 유로는 분기하여 상기 액 분리기(17)를 통과하여 상기 압축기(10)의 입구쪽으로 연결된다. 상기 제2열교환기(90)를 통과하여 토출된 냉매는 과열도가 조절되어 상기 사방 밸브(20)를 우회하여 상기 액 분리기(17)를 통과하여 상기 압축기(10)로 회수된다.

상기 히팅 팽창 밸브(102)는 상기 제2삼방 밸브(45)에서 분기된 냉매 유로 중 나머지 하나와 연결된다. 상기 히팅 팽창 밸브(102)는 상기 중간 냉각기(70)에서 토출된 냉매를 단열 팽창시켜 습포화 증기를 생성한다. 상기 히팅 팽창 밸브(102)의 상류에는 상기 히팅 팽창 밸브(102)로 유입되는 냉매의 흐름을 개폐하는 히팅 전자 밸브(104)가 설치된다. 또한, 상기 히팅 팽창 밸브(102)는 상기 제3열교환기(100)에서 토출 되는 냉매의 온도와 압력에 따라 냉매의 유량이 비례적으로 조절될 수 있다.

상기 제3삼방 밸브(80)는 상기 제1삼방 밸브(40)에서 분기된 유로 중 나머지 하나와 연결된다. 상기 제3삼방 밸브(80)는 상기 사방 밸브와 냉매 유로 연결된다. 상기 제3삼방 밸브(80)는 제3열교환기(100)와 냉매 유로로 연결된다.

상기 제3열교환기(100)는 상기 히팅 팽창 밸브(102)와 냉매 유로로 연결된다. 상기 제3열교환기(100)에서는 냉매와 지열원 열교환기(110)에서 토출된 물과 대향류 열교환이 이루어질 수 있다. 한편, 상기 제3열교환기(100)는 히팅 팽창 밸브(102) 또는 상기 제3삼방 밸브(80)로부터 유입된 냉매와 상기 지열원 열교환기(110)에서 토출된 물과 대향류 열교환이 이루어진다. 상기 제3열교환기(100)를 통과하는 냉매 또는 물은 사이클 구성에 따라 흐르는 방향이 바뀔 수 있다.

상기 히팅 팽창 밸브(102)와 상기 제3열교환기(100)를 연결하는 유로는 분기하여 상기 제1삼방 밸브(40)로부터 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)에 연결된 유로에 합류하도록 연결된다. 상기 제3열교환기(100)로부터 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50) 쪽으로만 냉매가 흐르도록 체크 밸브가 설치된다.

상기 지열원 열교환기(110)는 상기 제3열교환기(100)로 공급되는 물이 지열원과 열 교환되는 장치다. 상기 지열원 열교환기(110)는 지중에 매설된 배관에 물을 강제로 순환시킴으로써 지열과 물이 열교환을 일으키도록 하는 장치다. 상기 지열원 열교환기(110)를 통과하면서 물은 온도가 상승하거나 하강할 수 있다. 상기 지열원 열교환기(110)와 상기 제3열교환기(100)를 연결하는 유로 상에 제4삼방 밸브(120)와 제5삼방 밸브(130)가 설치된다.

상기 제4삼방 밸브(120)는 상기 지열원 열교환기(110)의 물 토출구와 연결된 수로 상에 배치된다. 상기 제4삼방 밸브(120)에서 분기된 수로는 상기 제3열교환기(100)의 입구와 출구에 각각 연결된다. 상기 제4삼방 밸브(120)는 상기 지열원 열교환기(110)에서 토출된 물이 상기 제3열교환기(100)로 유입되는 방향을 선택적으로 변환하는 역할을 수행한다.

상기 제5삼방 밸브(130)는 상기 지열원 열교환기(110)의 물 유입구와 연결된 수로 상에 배치된다. 상기 제5삼방 밸브(130)는 유입된 물의 흐름을 2방으로 선택적으로 변환한다. 상기 제5삼방 밸브(130)는 상기 제4삼방 밸브(120)와 상기 제3열교환기(100)의 입구와 출구 쪽에 연결된 수로에 각각 합류되도록 연결된다.

상기 제5삼방 밸브(130)와 상기 지열원 열교환기(110)를 연결하는 수로 상에는 프리쿨링 전자 밸브(135)가 설치된다. 상기 제5삼방 밸브(130)와 상기 프리쿨링 전자 밸브(135)를 연결하는 수로는 분기하여 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)의 입구에 연결된다. 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)를 통과한 물은 상기 프리쿨링 전자 밸브(135)와 상기 지열원 열교환기(110)의 입구를 연결하는 수로에 합류한다. 이에 따라 상기 프리쿨링 전자 밸브(135)는 상기 제5삼방 밸브(130)를 통과한 물이 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)를 통과하도록 할 것인지 여부를 선택적으로 변환하도록 하는 역할을 수행한다. 상기 제5삼방 밸브(130)와 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)를 연결하는 수로에는 필요에 따라 개폐용 밸브가 설치될 수 있다.

상기 제6삼방 밸브(140)는 상기 프리쿨링 전자 밸브(135)와 상기 지열원 열교환기(110)의 입구를 연결하는 수로 상에 설치된다. 상기 제6삼방 밸브(140)는 상기 제5삼방 밸브(130)를 통과하여 상기 지열원 열교환기(110)로 유입되는 물을 상기 지열원 열교환기(110)의 유입구로 공급하거나 상기 지열원 열교환기(110)를 우회하여 상기 지열원 열교환기(110)의 토출구 쪽에 비례적으로 분배되도록 제어하는 밸브이다.

상기 제7삼방 밸브(150)는 상기 지열원 열교환기(110)의 토출구에 연결된 수로에 배치된다. 상기 제7삼방 밸브(150)는 수로에 의해 하이브리드 프리쿨링 열교환기(160)와 연결된다. 상기 하이브리드 프리쿨링 열교환기(160)는 상기 제7삼방 밸브(150)를 통과한 물이 선택적으로 외기와 열교환 되도록 배치된 것이다. 상기 제7삼방 밸브(150)에서 분기된 수로 중 하나는 상기 하이브리드 프리쿨링 열교환기(160)와 연결된다. 상기 제7삼방 밸브(150)에서 분기된 수로 중 나머지 하나는 상기 하이브리드 프리쿨링 열교환기(160)를 우회하여 상기 제4삼방 밸브(120)에 연결되는 수로에 합류한다.

상기 제4삼방 밸브(120)로 물을 압송하는 제1순환 펌프(170)가 구비된다.

상기 제6삼방 밸브(140)의 개폐 방향을 비례적으로 제어하는 제1온도 조절기(145)가 구비된다. 상기 제1온도 조절기(145)는 상기 제1순환 펌프(170)로 유입되는 물의 온도가 미리 설정된 온도보다 높을 경우, 상기 제6삼방 밸브(140)를 통과한 물이 상기 지열원 열교환기(110)를 통과하여 지열원과 열교환 하도록 함으로써 물의 온도를 낮추도록 비례적으로 제어한다. 한편, 상기 제1온도 조절기(145)는 제1순환 펌프(170)로 유입되는 물의 온도가 미리 설정된 온도 이하일 경우 상기 제6삼방 밸브(140)를 통과한 물이 상기 지열원 열교환기(110)를 우회하여 상기 제7삼방 밸브(150)로 유입되도록 상기 제6삼방 밸브(140)의 개폐 방향을 비례적으로 제어한다.

또한, 상기 제7삼방 밸브(150)를 통과한 물의 온도가 미리 설정된 외기의 온도보다 낮을 경우, 상기 하이브리드 프리쿨링 열교환기(160)를 통과하도록 상기 제7삼방 밸브(150)의 개폐 방향을 제어하는 제2온도 조절기(155)가 구비된다. 상기 제2온도 조절기(155)는 상기 제7삼방 밸브(150)를 통과한 물의 온도가 미리 설정된 외기 온도 이상일 경우, 상기 하이브리드 프리쿨링 열교환기(160)를 우회하도록 상기 제7삼방 밸브(150)의 개폐 방향을 제어한다. 상기 제7삼방 밸브(150)에서 토출된 물은 상기 제1순환 펌프(170)에 의해 상기 제4삼방 밸브(120)로 압송된다.

도면에 도시되었으나 구체적으로 설명하지 않은 체크밸브나 전자밸브는 냉매의 역류를 방지하거나 필요에 따라 냉매의 흐름을 개폐하는 구성요소로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술자라면 자명하게 이해될 수 있는 것이다.

이하에서는, 상술한 바와 같은 구성요소를 포함한 프리쿨링 복합 히트펌프 시스템의 작용 효과를 난방 또는 급탕만을 수행하고 냉방이 필요하지 않는 경우의 사이클, 냉방과 급탕난방이 동시에 이루어지는 사이클, 냉방만 이루어지는 사이클을 예로 들어 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 도 2를 참조하여 난방 및 급탕을 수행하고 냉방이 필요하지 않는 경우의 사이클을 설명한다.

이 경우 제2열교환기(90)는 작동하지 않는다. 즉, 상기 제2삼방 밸브(45)는 a-->c 방향으로 냉매가 흐르도록 조절된다. 상기 압축기(10)에서 고온 고압의 비공비 혼합 냉매 가스가 형성되어 상기 오일 분리기(15)에 유입하여 냉매 가스 중에 혼합된 오일을 분리하여 압축기(10)로 회수된다. 이와 동시에 상기 압축기(10)에서 토출된 고온 고압의 냉매 가스는 상기 사방 밸브(20)를 통해 a-->c 방향으로 유동하여 상기 제1열교환기(30)에 유입된다. 상기 제1열교환기(30)에서는 고온 고압의 냉매 가스와 펌프에 의해 유입된 물과 열 교환이 이루어져서 온수가 생성된다. 상기 제1열교환기(30)를 통과한 냉매는 온도가 낮아져 제1삼방 밸브(40)를 a-->c 방향으로 통과하여 분기점 B를 지나 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)로 유입된다. 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)에서는 상기 제1열교환기(30)에서 냉각된 냉매를 지열원 열교환기(110)에서 공급된 물과 대향류 열교환이 일어남으로써 냉매의 과냉각도가 더욱 최적으로 조절된다. 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)에서 과냉각도가 조절된 냉매는 리시버 탱크(60)에 수용된다. 상기 리시버 탱크(60)에 수용된 냉매 중 기체 상태의 냉매는 리시버 탱크(60) 중에 잔류하고, 액상의 냉매만이 드라이어(62)와 사이트 글라스(64)를 통과하여 분기점 C를 지나 중간 냉각기(70)에 유입된다. 상기 중간 냉각기(70)로 유입되는 냉매의 일부는 분기하여 중간 팽창 밸브(72)에서 단열 팽창하여 습포화 증기가 된다. 상기 중간 냉각기(70)로 유입되는 냉매의 나머지와 단열 팽창된 냉매 가스가 상호 열교환 한다. 이에 따라 상기 중간 팽창 밸브(72)와 상기 중간 냉각기(70)를 통과한 냉매는 과열도가 조절되어 상기 압축기(10)로 회수된다. 한편, 상기 중간 냉각기(70)에서 과냉각도가 미세 조절된 냉매는 상기 제2삼방 밸브(45)를 a-->b 방향으로 통과하여 히팅 팽창 밸브(102)에 유입된다. 상기 히팅 팽창 밸브(102)에서 단열 팽창되어 습포화 증기가 된 냉매는 제3열교환기(100)에서 지열원 열교환기(110)에서 유입된 물과 열교환이 이루어진다. 상기 제3열교환기(100)를 통과한 냉매는 제3삼방 밸브(80)로 유입된다. 상기 제3삼방 밸브(80)에서는 냉매가 a-->b 방향으로 유동하여 상기 사방 밸브(20)로 유입된다. 상기 사방 밸브(20)로 유입된 냉매는 b-->d 방향으로 유동하여 분기점 A를 지나 액 분리기(17)를 통과하여 압축기(10)로 회수된다. 이와 같은 과정을 거쳐 냉매의 한 사이클이 완성된다.

이 과정에서, 상기 지열원 열교환기(110)에서 공급된 물의 이동 경로를 서술한다. 제1순환 펌프(170)에 의해 압송된 물이 제4삼방 밸브(120)를 통과하여 분기점 E를 지나 제3열교환기(100)로 유입된다. 상기 제3열교환기(100)에서 냉매와 열교환된 물은 온도가 낮아져서 토출된다. 상기 제3열교환기(100)에서 토출된 물은 분기점 F를 지나 제5삼방 밸브(130)에 유입된다. 상기 제5삼방 밸브(130)를 통과한 물은 c-->a 방향으로 유동한다. 이때 프리쿨링 전자 밸브(135)는 폐쇄된 상태이다. 상기 제5삼방 밸브(130)에서 토출된 물은 분기점 G를 지나 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)를 통과한다. 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)에서는 물과 냉매가 대향류 방향으로 흐르면서 열교환 된다. 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)에서 열교환 된 물은 온도가 높아져서 분기점 H를 지나 제6삼방 밸브(140)로 유입된다. 상기 제6삼방 밸브(140)를 통과한 물은 제1온도 조절기(145)에 의해 제1순환 펌프(170)로 유입되는 물의 온도가 미리 설정된 온도보다 높은 경우 지열원 열교환기(110)로 유입되어 지열원과 열교환 된다. 한편, 상기 제6삼방 밸브(140)를 통과한 물은 제1온도 조절기(145)에 의해 제1순환 펌프(170)로 유입되는 물의 온도가 미리 설정된 온도보다 낮을 경우 지열원 열교환기(110)를 우회하여 분기점 I를 지나 제7삼방 밸브(150)로 유입된다.

상기 지열원 열교환기(110)를 통과한 물은 제7삼방 밸브(150)로 유입된다. 상기 제7삼방 밸브(150)로 유입된 물은 제2온도 조절기(155)에 의해 미리 설정된 외기 온도보다 낮을 경우 c-->b 방향으로 유동하여 하이브리드 프리쿨링 열교환기(160)에서 공기와 열교환되어 온도가 상승한다. 한편, 상기 제7삼방 밸브(150)로 유입된 물은 제2온도 조절기(155)에 의해 미리 설정된 외기 온도보다 높을 경우 c-->a 방향으로 유동하여 하이브리드 프리쿨링 열교환기(160)를 우회하여 분기점 J를 지나 제1순환 펌프(170)로 공급된다.

상기 제1순환 펌프(170)에 의해 압송된 물은 제4삼방 밸브(120)를 a-->b 방향으로 유동하여 제3열교환기(100)에 유입된다. 상기 제3열교환기(100)를 통과한 물은 분기점 F를 지나 제5삼방 밸브(130)를 c-->a 방향으로 통과하여 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)로 유입된다.

이와 같은 과정에서 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)는 지열원 열교환기(110)에서 공급된 물과 냉매를 열교환 시킴으로써 냉매의 과냉각도를 정밀하게 조절하여 로렌츠 사이클을 형성하는 비공비 혼합 냉매의 열교환 효율을 최대한 향상시키는 작용을 수행한다.

이제, 도 3을 참조하여 냉난방과 급탕이 동시에 이루어지는 경우의 사이클을 설명한다. 이 경우에는 상기 제1열교환기(30)와, 상기 제2열교환기(90)와, 상기 제3열교환기(100)가 동시에 가동된다.

구체적으로, 상기 압축기(10)에서 고온 고압의 비공비 혼합 냉매 가스가 형성되어 상기 오일 분리기(15)에 유입하여 냉매 가스 중에 혼합된 오일을 분리하여 압축기(10)로 회수된다. 이와 동시에 상기 압축기(10)에서 토출된 고온 고압의 냉매 가스는 상기 사방 밸브(20)를 통해 a-->c 방향으로 유동하여 상기 제1열교환기(30)에 유입된다. 상기 제1열교환기(30)에서는 고온 고압의 냉매 가스와 펌프에 의해 유입된 물과 열 교환이 이루어져서 난방 및 급탕을 위한 온수가 생성된다. 상기 제1열교환기(30)를 통과한 냉매는 온도가 낮아져 제1삼방 밸브(40)를 a--->b 방향으로 통과하여 제3삼방 밸브(80)로 유입된다. 상기 제3삼방 밸브(80)를 c-->a 방향으로 통과한 냉매는 제3열교환기(100)로 유입된다. 상기 제3열교환기(100)에서 냉매는 지열원 열교환기(110)에서 공급된 물과 열교환되어 과냉각도가 조절된다. 이 경우에는 상기 제3열교환기(100)가 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)와 유사한 역할을 수행한다. 상기 제3열교환기(100)에서 토출된 냉매는 분기점 D와 분기점 B를 통과하여 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)를 지나 리시버 탱크(60)에 수용된다. 이 과정에서 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)는 열교환기로 작동하지 않고 냉매가 단순히 통과하는 통로 역할만을 수행한다. 즉, 이 과정에서 상기 지열원 열교환기(110)로부터 물이 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)로 공급되지 않는다.

상기 리시버 탱크(60)에 수용된 냉매 중 기체 상태의 냉매는 리시버 탱크(60) 중에 잔류하고, 액상의 냉매만이 드라이어(62)와 사이트 글라스(64)를 통과하여 분기점 C를 지나 중간 냉각기(70)에 유입된다. 상기 중간 냉각기(70)로 유입되는 냉매의 일부는 분기하여 중간 팽창 밸브(72)에서 단열 팽창하여 습포화 증기가 된다. 상기 중간 냉각기(70)로 유입되는 냉매의 나머지와 단열 팽창된 냉매 가스가 상호 열교환 한다. 이에 따라 상기 중간 팽창 밸브(72)와 상기 중간 냉각기(70)를 통과한 냉매는 과열도가 조절되어 상기 압축기(10)로 회수된다. 한편, 상기 중간 냉각기(70)에서 과냉각도가 미세 조절된 냉매는 상기 제2삼방 밸브(45)에서 a-->c 방향으로 유동하여 냉방 팽창 밸브(85)에 유입된다. 상기 냉방 팽창 밸브(85)를 통과하는 냉매는 단열 팽창에 의해 습포화 증기가 된다. 상기 냉방 팽창 밸브(85)를 통과한 냉매는 제2열교환기(90)에서 냉방용 냉수 생성을 위한 물과 열교환 된다. 상기 제2열교환기(90)는 냉동 사이클의 증발기 역할을 수행한다. 상기 제2열교환기(90)를 통과한 냉매는 과열도가 조절되어 분기점 A를 지나 액 분리기(17)를 통해 압축기(10)로 회수된다. 이와 같은 과정을 통해 냉난방이 동시에 이루어지는 사이클이 완성된다.

이 과정에서, 상기 지열원 열교환기(110)에서 공급된 물의 이동 경로를 서술한다. 제1순환 펌프(170)에 의해 압송된 물이 제4삼방 밸브(120)를 통과하여 분기점 F를 지나 제3열교환기(100)로 유입된다. 상기 제3열교환기(100)에서 냉매와 열교환된 물은 온도가 높아져서 토출 된다. 상기 제3열교환기(100)에서 토출된 물은 분기점 E를 지나 제5삼방 밸브(130)에 유입된다. 상기 제5삼방 밸브(130)를 b-->a 방향으로 통과한 물은 프리쿨링 전자 밸브(135)를 통과하여 제6삼방 밸브(140)로 유입된다. 상기 제6삼방 밸브(140)를 통과한 물은 제1온도 조절기(145)에 의해 제1순환 펌프(170)로 유입되는 물의 온도가 미리 설정된 온도보다 높은 경우 지열원 열교환기(110)로 유입되어 지열원과 열교환 된다. 한편, 상기 제6삼방 밸브(140)를 통과한 물은 제1온도 조절기(145)에 의해 제1순환 펌프(170)로 유입되는 물의 온도가 미리 설정된 온도보다 낮을 경우 지열원 열교환기(110)를 우회하여 분기점 I를 지나 제7삼방 밸브(150)로 유입된다.

상기 지열원 열교환기(110)를 통과하거나 우회한 물은 제7삼방 밸브(150)로 유입된다. 상기 제7삼방 밸브(150)로 유입된 물은 제2온도 조절기(155)에 의해 미리 설정된 외기 온도보다 낮을 경우 c-->b 방향으로 유동하여 하이브리드 프리쿨링 열교환기(160)에서 공기와 열교환되어 온도가 상승한다. 한편, 상기 제7삼방 밸브(150)로 유입된 물은 제2온도 조절기(155)에 의해 미리 설정된 외기 온도보다 높을 경우 c-->a 방향으로 유동하여 하이브리드 프리쿨링 열교환기(160)를 우회하여 분기점 J를 지나 제1순환 펌프(170)로 공급된다.

상기 제1순환 펌프(170)에 의해 압송된 물은 제4삼방 밸브(120)를 a-->c 방향으로 유동하여 제3열교환기(100)에 유입된다. 상기 제3열교환기(100)를 통과한 물은 분기점 E를 지나 제5삼방 밸브(130)를 b-->a 방향으로 통과하여 상기 프리쿨링 전자 밸브(135)를 통과한다.

이와 같은 과정에서 상기 제3열교환기(100)는 도 2에 도시된 온수 및 급탕 사이클 구성시 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)와 유사한 기능을 수행한다. 즉, 상기 제3열교환기(100)는 지열원 열교환기(110)에서 공급된 물과 냉매를 열교환 시킴으로써 냉매의 과냉각도를 정밀하게 조절하여 로렌츠 사이클을 형성하는 비공비 혼합 냉매의 열교환 효율을 최대한 향상시키는 작용을 수행한다.

이제, 도 4를 참조하여 급탕이 제외된 난방과 냉방을 동시에 수행하는 경우의 냉매의 사이클에서 난방수의 생성이 완료된 후 일시적으로 작동하는 냉방 사이클 구성을 살펴 본다. 이 경우에는 급탕과 난방 및 냉방을 동시에 수행하는 경우와 차이가 있다. 더 구체적으로 급탕이 제외된 난방이 수행되는 경우 난방수는 일정한 온도에 도달한 경우 더 이상의 열량 공급이 필요하지 않게 되는 시간이 존재한다.

이 경우에, 상기 제1열교환기(30)에서 열교환되어 생성되는 난방수는 일정한 온도에 도달한 경우, 상기 제1열교환기(30)의 열교환 효율은 현저하게 낮아진다. 이 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 압축기(10)로부터 토출된 고온 고압의 냉매 가스를 상기 사방 밸브(20)의 a-->b 방향으로 흐르도록 변환한다. 이에 따라 고온 고압의 냉매 가스는 상기 제1열교환기(30)로 유입되지 않고 제3삼방 밸브(80)로 유입된다. 상기 제3삼방 밸브(80)를 b-->a 방향으로 통과한 고온 고압의 냉매 가스는 제3열교환기(100)로 유입된다. 상기 제3열교환기(100)에서 지열원 열교환기(110)로부터 공급된 물과 열 교환하여 냉매 가스는 액체 상태로 과냉각도가 조절된다. 이 경우 상기 제3열교환기(100)는 도 3에 도시된 사이클에서 상기 제1열교환기(30) 및 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)의 기능을 대체하여 수행한다. 상기 제3열교환기(100)를 통과한 냉매는 분기점 D를 통과하여 분기점 A를 지나 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)로 유입된다. 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)에서는 열교환이 일어나지 않고 리시버 탱크(60)로 냉매가 이동한다.

이 과정에서 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)는 열교환기로 작동하지 않고 냉매가 단순히 통과하는 통로 역할만을 수행한다. 즉, 이 과정에서 상기 지열원 열교환기(110)로부터 물이 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기(50)로 공급되지 않는다.

상기 리시버 탱크(60)에 수용된 냉매 중 기체 상태의 냉매는 리시버 탱크(60) 중에 잔류하고, 액상의 냉매만이 드라이어(62)와 사이트 글라스(64)를 통과하여 분기점 C를 지나 중간 냉각기(70)에 유입된다. 상기 중간 냉각기(70)로 유입되는 냉매의 일부는 분기하여 중간 팽창 밸브(72)에서 단열 팽창하여 습포화 증기가 된다. 상기 중간 냉각기(70)로 유입되는 냉매의 나머지와 단열 팽창된 냉매 가스가 상호 열교환 한다. 이에 따라 상기 중간 팽창 밸브(72)와 상기 중간 냉각기(70)를 통과한 냉매는 과열도가 조절되어 상기 압축기(10)로 회수된다.

한편, 상기 중간 냉각기(70)에서 과냉각도가 미세 조절된 냉매는 상기 제2삼방 밸브(45)에서 a-->c 방향으로 유동하여 냉방 팽창 밸브(85)에 유입된다. 상기 냉방 팽창 밸브(85)를 통과하는 냉매는 단열 팽창에 의해 습포화 증기가 된다. 상기 냉방 팽창 밸브(85)를 통과한 냉매는 제2열교환기(90)에서 냉방용 냉수 생성을 위한 물과 열교환 된다. 상기 제2열교환기(90)는 냉동 사이클의 증발기 역할을 수행한다. 상기 제2열교환기(90)를 통과한 냉매는 과열도가 조절되어 분기점 A를 지나 액 분리기(17)를 통해 압축기(10)로 회수된다. 이와 같은 과정을 통해 난방수 생성이 일시적으로 중지되고 냉방이 이루어지는 사이클이 완성된다.

이 과정에서, 상기 지열원 열교환기(110)에서 공급된 물의 이동 경로를 서술한다. 제1순환 펌프(170)에 의해 압송된 물이 제4삼방 밸브(120)를 a-->c 방향으로 통과하여 분기점 F를 지나 제3열교환기(100)로 유입된다. 상기 제3열교환기(100)에서 냉매와 열교환된 물은 온도가 높아져서 토출 된다. 상기 제3열교환기(100)에서 토출된 물은 분기점 E를 지나 제5삼방 밸브(130)에 유입된다. 상기 제5삼방 밸브(130)를 b-->a 방향으로 통과한 물은 프리쿨링 전자 밸브(135)를 통과하여 제6삼방 밸브(140)로 유입된다. 상기 제6삼방 밸브(140)를 통과한 물은 제1온도 조절기(145)에 의해 제1순환 펌프(170)로 유입되는 물의 온도가 미리 설정된 온도보다 높은 경우 지열원 열교환기(110)로 유입되어 지열원과 열교환 된다. 한편, 상기 제6삼방 밸브(140)를 통과한 물은 제1온도 조절기(145)에 의해 제1순환 펌프(170)로 유입되는 물의 온도가 미리 설정된 온도보다 낮을 경우 지열원 열교환기(110)를 우회하여 분기점 I를 지나 제7삼방 밸브(150)로 유입된다.

상기 지열원 열교환기(110)를 통과하거나 우회한 물은 제7삼방 밸브(150)로 유입된다. 상기 제7삼방 밸브(150)로 유입된 물은 제2온도 조절기(155)에 의해 미리 설정된 외기 온도보다 낮을 경우 c-->b 방향으로 유동하여 하이브리드 프리쿨링 열교환기(160)에서 공기와 열교환되어 온도가 상승한다. 한편, 상기 제7삼방 밸브(150)로 유입된 물은 제2온도 조절기(155)에 의해 미리 설정된 외기 온도보다 높을 경우 c-->a 방향으로 유동하여 하이브리드 프리쿨링 열교환기(160)를 우회하여 분기점 J를 지나 제1순환 펌프(170)로 공급된다.

상기 제1순환 펌프(170)에 의해 압송된 물은 제4삼방 밸브(120)를 a-->c 방향으로 유동하여 제3열교환기(100)에 유입된다. 상기 제3열교환기(100)를 통과한 물은 분기점 E를 지나 제5삼방 밸브(130)를 b-->a 방향으로 통과하여 상기 프리쿨링 전자 밸브(135)를 통과한다.

이와 같은 과정에서 상기 제3열교환기(100)는 도 3에 급탕 및 냉난방이 동시에 수행되는 사이클에서와 동일한 기능을 수행한다. 즉, 상기 제3열교환기(100)는 지열원 열교환기(110)에서 공급된 물과 냉매를 열교환 시킴으로써 냉매의 과냉각도를 정밀하게 조절하여 로렌츠 사이클을 형성하는 비공비 혼합 냉매의 열교환 효율을 최대한 향상시키는 작용을 수행한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 프리쿨링 복합 히트펌프 시스템은, 비공비 혼합 냉매를 사용하여 냉매와 물 이 대향류 열교환을 하는 로렌츠 사이클을 포함하며, 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기가 제1열교환기의 작용을 선택적으로 지원하도록 구성됨으로써, 비공비 혼합 냉매의 냉동 사이클이 최적으로 이루어지도록 비공비 냉매의 과냉각도 조절을 정밀하게 수행하여 히트펌프 시스템의 성능 계수를 현저하게 향상시키는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 히트펌프 시스템은 온수생성 또는 난방만을 수행하거나, 온수생성, 난방 및 냉방까지 동시에 수행할 수도 있으며, 난방, 급탕, 냉방을 선택적으로 수행하는 등 복합적인 냉동 사이클을 효율적이고 안정적으로 수행할 수 있는 효과를 제공한다.

이상, 바람직한 실시 예를 들어 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 발명이 그러한 예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 실시 예가 구체화될 수 있을 것이다.

10 : 압축기
15 : 오일 분리기
17 : 액 분리기
20 : 사방 밸브
30 : 제1열교환기
40 : 제1삼방 밸브
45 : 제2삼방 밸브
50 : 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기
60 : 리시버 탱크
62 : 드라이어
64 : 사이트 글라스
70 : 중간 냉각기
72 : 중간 팽창 밸브
80 : 제3삼방 밸브
83 : 냉방 전자 밸브
85 : 냉방 팽창 밸브
90 : 제2열교환기
100 : 제3열교환기
102 : 히팅 팽창 밸브
104 : 히팅 전자 밸브
110 : 지열원 열교환기
120 : 제4삼방 밸브
130 : 제5삼방 밸브
135 : 프리쿨링 전자 밸브
140 : 제6삼방 밸브
145 : 제1온도 조절기
150 : 제7삼방 밸브
155 : 제2온도 조절기
160 : 하이브리드 프리쿨링 열교환기
170 : 제1순1환 펌프
172 : 제2순환 펌프
175 : 제3순환 펌프

Claims (4)

1. 기체 상태의 비공비 혼합 냉매를 고온 고압 상태로 압축하는 압축기;
   상기 압축기에서 토출된 냉매 유로 상에 배치되는 사방 밸브;
   상기 사방 밸브와 냉매 유로로 연결되며 물과 냉매 간 대향류 열교환을 행하는 제1열교환기;
   상기 제1열교환기의 냉매가 토출되는 냉매 유로에 설치된 제1삼방 밸브;
   상기 제1삼방 밸브에서 분기된 유로 중 하나와 연결되며 지열원과의 열교환된 물과 냉매 간 대향류 열교환이 이루어지는 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기;
   상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기에서 과냉각된 액상의 냉매를 일시적으로 수용하는 리시버 탱크;
   상기 리시버 탱크에서 토출되는 냉매가 분기되어 서로 열교환되는 중간 냉각기;
   상기 중간 냉각기에서 냉각된 냉매가 통과하는 제2삼방 밸브;
   상기 제2삼방 밸브에서 분기된 냉매 유로 중 하나와 연결된 냉방 팽창 밸브;
   상기 냉방 팽창 밸브에서 토출된 냉매가 냉방용 브라인과 대향류 열교환이 이루어지는 제2열교환기;
   상기 제1삼방 밸브에서 분기된 유로 중 나머지 하나와 연결되며, 상기 사방 밸브와 냉매 유로 연결된 제3삼방 밸브;
   상기 제2삼방 밸브에서 분기된 냉매 유로 중 나머지 하나와 연결된 히팅 팽창 밸브;
   상기 히팅 팽창 밸브 또는 상기 제3삼방 밸브와 연결된 냉매 유로에서 유입된 냉매가 지열원과 열교환된 물과 대향류 열교환이 이루어지는 제3열교환기;
   상기 제2열교환기는 상기 사방 밸브와 냉매 유로로 연결되며, 상기 제2열교환기와 상기 사방 밸브를 연결하는 냉매 유로는 분기하여 상기 압축기의 입구쪽으로 연결되며,
   상기 히팅 팽창 밸브와 상기 제3열교환기를 연결하는 유로는 분기하여 상기 제1삼방 밸브로부터 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기에 연결된 유로에 합류하도록 연결되며,
   상기 제3열교환기로 공급되는 물이 지열원과 열교환되는 지열원 열교환기;
   상기 지열원 열교환기에서 토출된 물이 상기 제3열교환기로 유입되는 방향을 선택적으로 변환하는 제4삼방 밸브;
   상기 제3열교환기에서 토출된 물의 흐름을 2방향으로 선택적으로 변환시키는 제5삼방 밸브; 및
   상기 제5삼방 밸브를 통과한 물이 상기 히팅 사이클 프리쿨링 열교환기 또는 상기 지열원 열교환기로 유입되도록 선택적으로 변환하는 프리쿨링 전자 밸브;를 포함한 것을 특징으로 하는 비공비 혼합 냉매 및 로렌츠 프리쿨링 사이클이 적용된 고효율 냉난방, 급탕 연속식 복합 히트펌프 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제5삼방 밸브를 통과하여 상기 지열원 열교환기로 유입되는 물을 상기 지열원 열교환기의 유입구로 공급하거나 상기 지열원 열교환기를 우회하여 상기 지열원 열교환기의 토출구 쪽에 비례적으로 분배되도록 제어하는 제6삼방 밸브;를 포함한 것을 특징으로 하는 비공비 혼합 냉매 및 로렌츠 프리쿨링 사이클이 적용된 고효율 냉난방, 급탕 연속식 복합 히트펌프 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 지열원 열교환기의 토출구에 연결된 수로에 배치된 제7삼방 밸브; 및
   상기 제7삼방 밸브를 통과한 물이 선택적으로 외기와 열교환 되도록 배치된 하이브리드 프리쿨링 열교환기;를 포함하며,
   상기 제7삼방 밸브를 통과한 물의 온도가 미리 설정된 외기의 온도보다 낮을 경우, 상기 하이브리드 프리쿨링 열교환기를 통과하며, 상기 제7삼방 밸브를 통과한 물의 온도가 미리 설정된 외기 온도 이상일 경우, 상기 하이브리드 프리쿨링 열교환기를 우회한 후 제1순환 펌프에 의해 상기 제4삼방 밸브로 압송되는 것을 특징으로 하는 비공비 혼합 냉매 및 로렌츠 프리쿨링 사이클이 적용된 고효율 냉난방, 급탕 연속식 복합 히트펌프 시스템.
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